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基于CORS的網絡RTK技術在水下測繪應用前景展望
來源:福建省測繪院  發布時間:2012-12-04  欄目:科技成就  【字號:

基于CORS的網絡RTK技術在水下測繪應用前景展望

何書鏡

(福建省測繪院,福建 福州 350003)

 

摘要:本文介紹了基于CORS的網絡RTK技術在水下測繪的應用及技術優勢,并與常規測繪方法進行了比較分析。通過實例介紹了利用FJCORS進行的水下測繪應用及采用的CORS定位精度檢測法,結果表明滿足精度要求,驗證了其在水下測繪的適用性,并對其在水下測繪領域的應用進行展望。

關鍵詞:CORS;網絡RTK; 水下測繪;精度檢測;應用

 

Based on CORS network RTK technology in underwater surveying

application research and practice

 

HE Shu-jing

 ( Fujian Surveying and Mapping Institute,Fuzhou,350003,China

 

Abstract: This article introduces application and technical advantage which Based on CORS network RTK technology in underwater surveying, meanwhile, compare with conventional surveying methods. It shows underwater surveying application by using FJCORS and methods of CORS positioning accuracy detection according to examples. The results indicate these satisfy the precision requirement, and verify its applicability in underwater surveying, and predict its application prospects of underwater surveying field at the same time.

Key words:  CORS; network RTK; underwater Surveying; accuracy  detection; application

 

1 引言

本文敘述的水下測繪主要是指在距海岸線30海里以內的近海、沿海和內河、湖泊、水庫等水體內及灘涂的地形圖測繪、工程測量等工作。與陸地一樣,海洋與江河湖泊開發的前期基礎性工作也是測圖。不同的是,在水域是測繪水下地形圖或水深圖,圖紙比例尺一般為1:200~1:10 000。興建港口、水上運輸、海上采油、海底探礦、海洋捕撈、海域劃界等任務都需要各種內容的水下地形測量。

連續運行衛星定位服務系統(Continuously Operating Reference StationCORS)的出現和推廣,正廣泛應用在陸地上的測繪,如:大地測量、地形圖測繪、工程測量、車輛導航等。由于水下測繪的平面定位方法與陸上測繪方法一致,因此CORS技術在水下測繪有著廣闊的應用前景。本文通過實例研究利用福建省連續運行衛星定位服務系統(FJCORS)進行水下測繪的應用及采用的CORS定位精度檢測法,實驗驗證其在水下測繪的適用性,并分析其技術優勢和實用性,對其在水下測繪的控制測量、水深測量等的應用前景進行展望。

2 CORS技術與常規測繪技術在水下測繪中的應用比較

水下地形測量主要包括定位和測深兩大部分。目前的水上定位手段有:海洋采用GPS單點實時定位或差分GPS定位,差分GPS一般使用廣域差分GPS沿海一般采用GPS RTK或信標(DGPS)定位;內陸河流湖泊水庫采用GPS RTK或常規光電測距定位;水深一般采用測深儀或其它方式,使用無驗潮或驗潮方式采集。平面位置的控制基礎主要利用陸上已有的國家等級控制點;衛星定位若采用差分方式,其岸臺亦多采用已知控制點,以求坐標系統的統一。如果海洋測量采用衛星單點定位方式,則應根據需要確定是否進行坐標換算。

CORS利用覆蓋區域內的一個或多個參考站全天候不間斷觀測,流動站與參考站組成長距離同步觀測,由控制中心網絡RTK處理軟件計算和播發誤差改正信息,流動站實時確定未知點坐標,同時實時知道定位精度。各未知點均以參考站為起算點,無論在在何處均可得到誤差互不相關的未知點位坐標成果,并統一在相同的坐標基準上,有利于水下測繪控制網的建立。CORS提供的定位方式有網絡RTK和網絡RTD等方式,并且可提供常規RTK及精密單點定位等靜態和動態多種服務,水下測繪現行測量手段的比較有其優越性,主要有覆蓋范圍廣、定位精度高、可靠性好,見表1

1 主要指標比較

類別

指標

CORS

常規測量

信標

GPS RTK

是否架設基站

作業距離

(定位)

離海岸線30km以內

在規范規定范圍內

未知

15km(使用網絡通訊)

5km(電臺通訊)

精度(定位)

均勻

5cm(外符合)

不均勻,隨距離增大而變大

均勻

0.5m

不均勻,隨距離增大而變大

是否找尋

控制點

平面轉換用

初始化使用

是否需要驗潮

看作業方式而定

3  FJCORS簡介

福建省連續運行衛星定位服務系統(Fujian Continuously Operating Reference StationFJCORS)是高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的GNSS綜合信息服務網,向測繪用戶提供高精度、連續的時間和空間基準FJCORS網絡體系遍布全省,以控制中心為中心節點的星型網絡,采用Trimble的虛擬參考站(virtual reference stationVRS)網絡技術。系統由參考站網絡、控制中心、數據中心、用戶應用系統、數字通信系統組成。FJCORS實時定位內符合精度水平方向≤3cm,垂直≤5cmCGCS2000系統);實時定位外符合精度水平方向≤5cm,垂直≤10cmCGCS2000系統)。

4  CORS在水下測繪中的精度檢測方法及實例

為了保證CORS技術在水下測繪中的適用性,對CORS的可靠性、可用性等進行有效檢測。檢測主要內容有系統空間可用性、系統定位精度等。系統定位精度檢測方法有:已知靜態點測量、定點連續觀測、固定基線相對檢測等。

4.1定點連續觀測檢測方法

CORS覆蓋的區域內選擇固定點位的1-2個控制點,使用流動站在控制點按連續地形模式,按時段采集,一個時段采集50個歷元,每個歷元記錄一個定位結果,采樣率設為1/次,初始化5次。每個時段間隔不小于30分鐘,每個在不同時段(連續48小時以上)分別進行重復觀測。精度計算:

設各觀測值與平均值的差值為 ,則各觀測值的精度                              (式1

1中: -觀測值個數, -i個觀測值, -n個觀測值的平均值。

CORS網絡RTK實時定位精度統計中,計算每一個觀測點所有測量值的平均值,再將該平均值與每一測量值求差,依照(1)分別計算系統各個坐標方向的精度。統計所有差值的分布情況,并對差值在不同區間的概率進行統計。該項精度反映了系統實時定位的穩定性。

在已完成的某個水下測繪工程中抽取1個有固定標志的點位,使用流動站儀器(TRIMBLE R8)在不同時段(連續48小時以上)分別進行重復觀測,測量值與平均值的比較見圖1

1 精度曲線

4.2已知靜態點測量方法

CORS覆蓋的區域內選擇均勻分布的有代表性的具有高精度的多個控制點,使用流動站在控制點按連續地形模式,每個歷元記錄一個定位結果,采樣率設為1/次,初始化5次,采集50個歷元。各控制點已經使用C級及以上的GPS靜態方法聯測,具有高精度的成果,認為是真值。精度計算:

若設 為觀測值向量 的真值,則各觀測值相對于真值的改正值 ,則精度為         (式2)。

在已完成的某個水下測繪工程中大致均勻隨機抽取4個固定控制點(GPS C級),作為參考比較點,使用(TRIMBLE R8)進行重復觀測,取觀測平均值與固定控制點成果(CGCS2000)進行比較,具體比較結果見表3

3 成果比較表                                                    單位:m

項目

點號

固定值

測量值(平均值)

點位

較差

高程

較差

x

y

H

x

y

H

0310

317.768

655.980

55.639

317.778

655.965

55.609

0.018

0.030

CHY

605.911

012.521

42.205

605.899

012.533

42.229

0.017

-0.024

CH01

571.358

997.456

38.323

571.367

997.437

38.303

0.021

 0.020

CH02

585.309

007.964

41.929

585.321

007.969

41.924

0.013

0.005

4.3固定基線相對檢測方法

固定基線相對檢測方法適用于無固定檢測點的流動定位精度檢測。在運動的同一載體上架設2個或以上的流動站,各流動站之間的距離可精確測量,認為是真值。各流動站之間的測量結果與真值之間的比較,可以一定程度上反映流動站的定位精度。使用流動站間的基線長度精度來反映定位精度,計算方法:

                                  (3)

式中: 為基線長度精度;σ為流動站接收機絕對定位精度。

在某個水下測繪工程中作業的測量船上靠近船頭接近于垂直船中線的兩側放置2臺流動站儀器,儀器型號為中海達V8 GNSS 雙星 RTK 系統。兩臺流動站位置之間的距離準確測量作為基線真值。在船的行進過程中,將儀器采樣率設為1/次,同時采集,按行進方向每10m記錄一個原始數據及實時定位結果。結合工程情況,選取了4條計劃線,每條計劃線長5km,間隔100m;船的走向兩條按計劃線離岸方向行進,另兩條靠岸方向行進。反算同步觀測的流動站之間的距離,與基線真值進行比較,并統計超限個數,剔除超限值以后,得到基線較差精度值,詳細結果見表4

4   距離觀測統計

計劃線編號

觀測值

總數

超限

個數

合格觀測值

百分比

基線較差精度(cm)

備注

1

501

12

97.6%

4.5

離岸方向

2

489

15

96.9%

5.6

靠岸方向

3

512

9

98.2%

3.5

離岸方向

4

502

11

97.8%

4.7

靠岸方向

4.4系統空間可用性檢測方法

CORS定位標稱覆蓋距離(15km)內外按一定的方式選取坐標成果已知的控制點進行檢測,來驗證CORS的外延精度范圍。觀測方法和精度計算同定點連續觀測方法,但應計算距離的關系。

由于海岸線向海一側很難找到坐標成果已知的控制點,故在陸地上進行。在CORS的一側按距離參考站的遠近選擇一系列控制點,測試的時候只接收一個參考站發出的差分信號。使用流動站儀器(TRIMBLE R8)在控制點按連續地形模式,每個歷元記錄一個定位結果,采樣率設為1/次,初始化5次,采集50個歷元。取觀測平均值與固定控制點成果(CGCS2000)進行比較,按(2)計算平面精度和高程精度,具體結果見表5

5 系統空間可用性檢測結果表

序號

點號

距參考站距離(km)

平面精度(m)

高程精度(m)

1

0310

1.7

0.019

0.013

2

0070

21.0

0.011

0.010

3

409P

34.0

0.014

0.033

4

408P

45.0

0.041

0.052

5

424P

55.0

0.053

0.040

4

421P

79.7

0.047

0.088

在精度檢測中,CORS的系統空間可用性、系統定位精度均滿足相應規范的要求。從表3還可以看出,網絡RTK測量可以代替低等級的常規靜態平面測量。若同時發布省級似大地水準面數據,對高程異常進行改正,網絡RTK測量可以代替低等級的水準測量。網絡RTK測量可以代替常規靜態控制網來布設水下測繪中的控制網。從表5可以看出,隨著流動站與參考站的距離增加,點位精度出現衰減,但距離增加與精度衰減不呈線性關系,即:隨著距離的增加,誤差不具有明顯的系統性或線性增長的趨勢。

在實際作業中,應注意對流動站儀器的設置。CORS中若某個參考站的某顆衛星的信噪比欠佳,可能減少衛星模型改正數的數量,甚至導致無法得到固定解。為保證穩定性,若某個參考站有多顆衛星信噪比較差,或少于4個四顆衛星的,可考慮暫時禁用部分觀測條件較差的參考站。當流動站無可用CORS差分信號(CORS中某個參考站通訊斷線等)或改正信息質量不高(附近參考站參與模型解算的衛星數少于5),流動站儀器作業模式可選中RAW模式,即單基站的RTK模式(普通RTK作業模式)。由于CORS是通過一定的通信網絡進行數據交換,與作業區的通訊網絡質量有極大的關系,這個會限制CORS在沿岸向海洋縱深的應用。

5 結語

利用基于CORS的網絡RTK技術同普通RTK作業模式一樣,進行無驗潮測量,能夠消除常規海洋測繪中的部分誤差(如潮汐觀測誤差、定位誤差及動態吃水的誤差),減少外業因素對作業過程的過多干擾。通過檢測表明,CORS系統在覆蓋范圍內的定位精度滿足水下測繪精度要求,覆蓋范圍之外也有一定的精度,可以滿足部分需要。采用CORS作業方式降低外業數據采集的勞動強度和成本,提高了作業效率,極大地提高水下測繪成果精度,具有良好的應用前景。

 

參考文獻:

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作者:何書鏡

聯系方式:聯系電話:13705919487   0591-87858167(辦公室)

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作者簡介:何書鏡(1973-),,福建永泰人,高級工程師,學士,主要從事工程測量和海洋測繪工作。






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